RS-485 滿足工業(yè)系統(tǒng)中的高速要求

     RS-485 是為眾多工業(yè)通信系統(tǒng)（例如 PROFIBUS 系統(tǒng)）或連接設(shè)備（例如 PLC、SCADA 系統(tǒng)、RTU 或 MODBUS 系統(tǒng)）選擇的物理層標(biāo)準(zhǔn)。高速和超高速 RS-485 數(shù)據(jù)鏈路通常采用相對(duì)簡(jiǎn)單的配置，例如單點(diǎn)或并行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、全雙工或半雙工或多點(diǎn)，如圖 1所示。

圖 1高速 RS-485 鏈路的典型配置。

這些簡(jiǎn)單的圖表隱藏了大量的設(shè)計(jì)考慮因素，從每個(gè)節(jié)點(diǎn)的收發(fā)器選擇和電路板布局到電纜選擇和互連幾何形狀。為了滿足終用戶對(duì)更高數(shù)據(jù)速率和更長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度的需求，同時(shí)確保將可識(shí)別的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤降至，必須考慮并優(yōu)化所有這些方面。本文探討了工程師在進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)應(yīng)牢記的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素，提供了一個(gè)總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)示例以及一般設(shè)計(jì)指南和布局建議。

以抖動(dòng)形式出現(xiàn)的信號(hào)衰減是限制實(shí)際電纜長(zhǎng)度的關(guān)鍵因素。這種信號(hào)抖動(dòng)是驅(qū)動(dòng)器和接收器脈沖偏斜以及模式相關(guān)電纜偏斜的結(jié)果。驅(qū)動(dòng)器和接收器脈沖偏移是驅(qū)動(dòng)器和接收器上升沿和下降沿的傳播延遲差異。

位模式相關(guān)的電纜偏移是由不同的位序列引起的總線上信號(hào)上升和下降時(shí)間的變化。數(shù)據(jù)脈沖響應(yīng)與位模式相關(guān)的偏移，包括振幅損失、圓邊、時(shí)間位移以及脈沖“拖尾”到相鄰位間隔中。

應(yīng)用數(shù)據(jù)編碼方案，例如曼徹斯特、8b/10b 或 33hex，有助于減少抖動(dòng)。對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行編碼會(huì)在數(shù)據(jù)流中引入轉(zhuǎn)換，以便更均勻地對(duì)電纜電容充電和放電，并生成更一致的信號(hào)幅度。但是，由于數(shù)據(jù)編碼縮短了電纜電容的充放電時(shí)間，從而降低了總線信號(hào)幅度。

收發(fā)器選擇
為了向接收器提供可靠的輸入信號(hào)，建議使用具有大差分輸出電壓 (V OD ) 和低偏移的高速收發(fā)器。大 V OD 克服了由于電纜衰減、數(shù)據(jù)編碼和共模負(fù)載導(dǎo)致的信號(hào)幅度降低，并確保遠(yuǎn)程接收器輸入端有足夠的噪聲容限。

對(duì)于低壓設(shè)計(jì)，請(qǐng)注意所謂的“窮人”3V 收發(fā)器，其輸出級(jí)只能在高于 4V 的電源電壓下提供符合 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓。在較低的電源軌下，晶體管效率急劇下降，產(chǎn)生的 V OD 比 RS-485 要求的值 1.5V 低 40%。如此低的輸出不會(huì)產(chǎn)生足夠的噪聲容限來(lái)觸發(fā)遠(yuǎn)程接收器。

Intersil 高速收發(fā)器系列具有非常高的輸出驅(qū)動(dòng)能力，其 V OD 范圍從 4.5V 電源時(shí)指定 1.5V 的 160% 到 3.0V 電源時(shí)的 100%，從而提供真正的 3V RS-485 兼容驅(qū)動(dòng)能力。在工作溫度下測(cè)得的典型 V OD對(duì)于 3V 收發(fā)器超出 RS-485 要求 27%，對(duì)于 5V 收發(fā)器超出 70% 至 93%。

此外，小的脈沖偏移可限度地減少收發(fā)器對(duì)數(shù)據(jù)鏈路總抖動(dòng)預(yù)算的影響。所有 Intersil 高速收發(fā)器均規(guī)定脈沖偏移為 1.5ns。此外，在同步應(yīng)用中也是一個(gè)重要考慮因素的部件間偏差優(yōu)于 4ns。